CN113745601A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能精度良好地控制涡轮式空气压缩机的气体流量和压力比的燃料电池系统。一种燃料电池系统，其特征在于，具备燃料电池、空气压缩机、氧化剂气体供给流路、氧化剂气体排出流路、氧化剂气体出口阀、旁路流路、旁路阀、外部气温传感器、流量传感器、转速传感器、角度传感器、控制部、和演算部，所述演算部估算上述空气压缩机、上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池(FC)是在将多个单电池单元(以下也称为电池单元)层叠而成的燃料电池堆(以下也简称为电池堆)中通过作为燃料气体的氢(H2)与作为氧化剂气体的氧(O2)的电化学反应而导出电能的发电装置。应予说明，以下对于燃料气体和氧化剂气体也会不特别区分而简称为“反应气体”或者“气体”。
该燃料电池的单电池单元通常由膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)与根据需要而夹持在该膜电极接合体的两面的2张隔离件构成。
膜电极接合体具有如下结构：在具有质子(H+)传导性的固体高分子型电解质膜(以下也简称为“电解质膜”)的两面分别依次形成催化剂层和气体扩散层。因此，膜电极接合体也被称为膜电极气体扩散层接合体(MEGA)。
隔离件通常具有如下结构：在与气体扩散层相接的面形成有作为反应气体的流路的沟。应予说明，该隔离件也作为发电得到的电流的集电体来发挥功能。
燃料电池的燃料极(阳极)中，由气体流路和气体扩散层供给的氢通过催化剂层的催化作用而质子化，通过电解质膜移动到氧化剂极(阴极)。同时生成的电子通过外部电路进行做功，并向阴极移动。供给到阴极的氧在阴极上与质子和电子进行反应，生成水。
生成的水可以给予电解质膜适当的湿度，过量的水可以透过气体扩散层而排出至系统外。
对于可以在燃料电池车辆(以下也简称为车辆)上进行车载而使用的燃料电池系统，进行了各种各样的研究。
例如在专利文献1中公开了如下燃料电池系统：在实际空气流量与目标空气流量产生差别的情况下，通过维持压缩机的的转速并改变调压阀的开度，从而进行缩小实际空气流量与目标空气流量的差的反馈控制。
此外，在专利文献2中公开了通过状态估计器来计算并估算燃料电池回路的各构成的压力值和流量值的方法。
此外，在专利文献3中公开了气体组成的估算方法、空气供给路经的各部分的流量的估算。
此外，在专利文献4中公开了使用空气供给流路、空气排出流路和旁路流路的流路阻力以及由流量传感器取得的空气量来估算供给到燃料电池的空气量的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-207292号公报
专利文献2：日本特开2019-164987号公报
专利文献3：日本特开2019-135716号公报
专利文献4：日本特开2019-145357号公报
发明内容
在相对于气体流量的压力比依赖性强的涡轮式空气压缩机的情况下，存在如下问题：如果没有基于空气系系统的各部位的总压、分压、气体流量、温度估算空气压缩机的气体入口与气体出口的压力比，则有时无法精度良好地控制空气压缩机的气体流量和空气压缩机的该压力比。
本发明正是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的是提供一种能精度良好地控制涡轮式空气压缩机的气体流量和压力比的燃料电池系统。
在本发明中，提供一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池，
将氧化剂气体供给到上述燃料电池的空气压缩机，
连接上述燃料电池与上述空气压缩机的氧化剂气体供给流路，
将从上述燃料电池排出的阴极废气排出到外部的氧化剂气体排出流路，
设置在上述氧化剂气体排出流路、控制上述氧化剂气体的压力的氧化剂气体出口阀，
从所述氧化剂气体供给流路分支、绕过所述燃料电池而连接到所述氧化剂气体排出流路的旁路流路，
设置在上述旁路流路、控制该旁路流路的开通状态的旁路阀，
测量大气压的大气压传感器，
测量外部气温的外部气温传感器，
测量从外部供给到上述空气压缩机的入口的上述氧化剂气体的流量的流量传感器，
测量上述空气压缩机的转速的转速传感器，
测量上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各阀的开度的角度传感器，
控制部，以及
估算上述空气压缩机、上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量的演算部；
上述演算部实施：
步骤1，基于预先确定的将流量ndot[mol/sec]与上述各部位的压差ΔP[Pa]的关系线性化的第1计算式，根据由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、由上述转速传感器测量的上述空气压缩机的转速、以及由上述角度传感器测量的上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各阀的开度，演算出上述各部位的流动阻力Zd[Pa/(mol/sec)]；
步骤2，在上述步骤1之后，基于预先确定的用于计算总压的第2计算式，根据上述各部位的流动阻力Zd、由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、以及由上述外部气温传感器测量的上述外部气温，演算出上述各部位的总压；
步骤3，在上述步骤2之后，基于预先确定的用于计算分压的第3计算式，根据上述步骤2中演算的上述各部位的总压、以及上述氧化剂气体中所包含的各成分的比例，演算出上述各部位的分压；
步骤4，在上述步骤3之后，基于预先确定的用于计算能量的第4计算式，根据由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、以及由上述外部气温传感器测量的上述外部气温，演算出上述各部位的能量。
在本发明中，上述演算部在上述步骤1中演算有效气体输送系数，在上述步骤2中，当上述各部位的压差ΔP[Pa]为规定的阈值以下的情况下，根据将上述有效气体输送系数乘以校正系数而得到的值、由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、以及由上述外部气温传感器测量的上述外部气温，演算出上述各部位的总压。
在本发明中，上述演算部在上述步骤1中，当上述角度传感器测量的上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各阀的开度为规定的阈值以下的情况下，将该开度为规定的阈值以下的阀的上述有效气体输送系数设为0。
在本发明中，上述演算部可以用上述步骤2中演算的各部位的总压的演算结果乘以上述氧化剂气体的各成分的摩尔分数而得到的值来校正在上述步骤3中演算的各部位的分压的演算结果。
在本发明中，在上述氧化剂气体供给流路的上述空气压缩机与上述燃料电池之间能够进一步具备中冷器，
上述演算部估算上述中冷器、上述空气压缩机、上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量。
根据本发明的燃料电池系统，可以精度良好地控制涡轮式空气压缩机的气体流量和压力比。
附图说明
图1为表示本发明的燃料电池系统的演算部进行的演算次序的一个例子的流程图。
图2为表示本发明的燃料电池系统的控制方法的一个例子的流程图。
图3为表示本发明的燃料电池系统的控制方法的另一个例子的流程图。
图4为表示本发明的燃料电池系统的演算部进行的演算次序的另一个例子的流程图。
具体实施方式
在本发明中，提供一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池，
将氧化剂气体供给到上述燃料电池的空气压缩机，
连接上述燃料电池与上述空气压缩机的氧化剂气体供给流路，
将从上述燃料电池排出的阴极废气排出到外部的氧化剂气体排出流路，
设置在上述氧化剂气体排出流路、控制上述氧化剂气体的压力的氧化剂气体出口阀，
从所述氧化剂气体供给流路分支、绕过所述燃料电池而连接到所述氧化剂气体排出流路的旁路流路，
设置在上述旁路流路、控制该旁路流路的开通状态的旁路阀，
测量大气压的大气压传感器，
测量外部气温的外部气温传感器，
测量从外部供给到上述空气压缩机的入口的上述氧化剂气体的流量的流量传感器，
测量上述空气压缩机的转速的转速传感器，
测量上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各阀的开度的角度传感器，
控制部，以及
估算上述空气压缩机、上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量的演算部；
上述演算部实施：
步骤1，基于预先确定的将流量ndot[mol/sec]与上述各部位的压差ΔP[Pa]的关系线性化的第1计算式，根据由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、由上述转速传感器测量的上述空气压缩机的转速、以及由上述角度传感器测量的上述氧化剂气体出口阀和上述旁路阀的各阀的开度，演算出上述各部位的流动阻力Zd[Pa/(mol/sec)]；
步骤2，在上述步骤1之后，基于预先确定的用于计算总压的第2计算式，根据上述各部位的流动阻力Zd、由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、以及由上述外部气温传感器测量的上述外部气温，演算出上述各部位的总压；
步骤3，在上述步骤2之后，基于预先确定的用于计算分压的第3计算式，根据上述步骤2中演算的上述各部位的总压、以及上述氧化剂气体中所包含的各成分的比例，演算出上述各部位的分压；
步骤4，在上述步骤3之后，基于预先确定的用于计算能量的第4计算式，根据由上述流量传感器测量的上述氧化剂气体的流量、由上述大气压传感器测量的大气压、以及由上述外部气温传感器测量的上述外部气温，演算出上述各部位的能量。
对于空气压缩机而言，如果以降低成本、体积为目的而从罗茨式变更为涡轮式，则气体流量的压力比依赖性会增强，若没有精度良好地控制空气压缩机的转速、空气压缩机的气体入口与气体出口的压力比，则气体流量控制性会变差。此外，如果使用涡轮式空气压缩机特有的喘振区域(低气体流量、高压力比)，则由于空气压缩机的振动，从而产生叶轮等零件破损等的零件耐久性降低的问题。
在罗茨式的空气压缩机中，可以通过控制其转速来控制气体流量，通过控制气体出口阀的角度来控制其气体压力，还可以分别独立地控制空气压缩机的气体流量和气体压力。
因此，在以不依赖压力比的罗茨式为前提的现有的控制中，会有气体流量、气体压力控制性劣化，车辆的乘坐体验(驾驶性、Drivability)劣化和零件耐久性降低等问题。
根据本发明，通过使用规定的物理模型来估算时刻变化的燃料电池系统的空气系系统内部状态(气体流量、总压、分压、能量)、并精度良好地估算空气压缩机的压力比，从而可以提高气体流量指令值、气体压力指令值的控制性，抑制车辆的乘坐体验的劣化和零件耐久性的降低。
根据本发明，通过以物理性的变化速度快的顺序来演算空气系系统的各部位的总压、各部位的分压和各部位的能量，从而可以减小伴随演算延迟的误差，可以精度良好地控制涡轮式空气压缩机的气体流量和压力比。此外，由于流动阻力的演算式被线性化，因此可以减小演算部的计算负荷。
本发明的燃料电池系统至少具有燃料电池、空气压缩机、氧化剂气体供给流路、氧化剂气体排出流路、氧化剂气体出口阀、旁路流路、旁路阀、大气压传感器、外部气温传感器、流量传感器、转速传感器、角度传感器、控制部、以及演算部，还可以进一步具有中冷器、氧化剂气体入口阀、燃料气体压力传感器、扭矩传感器等。
应予说明，本发明中，各部位至少包含空气压缩机、氧化剂气体出口阀和旁路阀，根据需要，还可以包含氧化剂气体吸气口、氧化剂气体净化器(过滤器)、氧化剂气体供给流路、中冷器、氧化剂气体入口阀、阴极入口歧管、燃料电池的阴极、阴极出口歧管、旁路流路、氧化剂气体排出流路与燃料废气排出阀的连接部、以及氧化剂气体排出流路等。
本发明的燃料电池系统通常可搭载在以电动机(马达)为驱动源的燃料电池车辆上使用。
本发明的燃料电池系统也可以搭载在能以二次电池的电力来行驶的车辆上使用。
电动机没有特别限定，可以是现有公知的马达。
燃料电池可以是将燃料电池的单电池单元层叠多个的层叠体即燃料电池堆。
单电池单元的层叠数没有特别限定，例如可以是2～数百个，也可以是2～200个。
燃料电池堆可以在单电池单元的层叠方向的两端具备端板。
燃料电池的单电池单元至少具备包含氧化剂极、电解质膜和燃料极的膜电极接合体，根据需要还可以具备夹持该膜电极接合体的两面的2张隔离件。
隔离件可以在与气体扩散层相接的面具有反应气体流路。此外，隔离件可以在与气体扩散层相接的面相反一侧的面具有用于将燃料电池的温度保持恒定的制冷剂流路。
隔离件可以在单电池单元的层叠方向上具有用于使反应气体和制冷剂流通的供给孔和排出孔。
供给孔可举出燃料气体供给孔、氧化剂气体供给孔和制冷剂供给孔等。
排出孔可举出燃料气体排出孔、氧化剂气体排出孔和制冷剂排出孔等。
隔离件可以是不透气的导电性构件等。作为导电性构件，可举出例如通过压缩碳而实现不透气的致密碳、以及压制成型的金属(如铁、铝和不锈钢等)板等。此外，隔离件也可以具有集电功能。
燃料电池堆可以具有连通各供给孔的入口歧管和连通各排出孔的出口歧管等歧管。
入口歧管可举出阳极入口歧管、阴极入口歧管和制冷剂入口歧管等。
出口歧管可举出阳极出口歧管、阴极出口歧管和制冷剂出口歧管等。
氧化剂极包含氧化剂极催化剂层和气体扩散层。
燃料极包含燃料极催化剂层和气体扩散层。
氧化剂极催化剂层和燃料极催化剂层可以具有例如促进电化学反应的催化剂金属、具有质子传导性的电解质、以及具有电子传导性的碳粒子等。
作为催化剂金属，可以使用例如铂(Pt)、以及由Pt与其它金属形成的合金(例如将钴和镍等混合的Pt合金)等。
作为电解质，可以是氟系树脂等。作为氟系树脂，可以使用例如Nafion溶液等。
上述催化剂金属担载于碳粒子上，在各催化剂层中，担载了催化剂金属的碳粒子(催化剂粒子)与电解质可以混合存在。
用于担载催化剂金属的碳粒子(担载用碳粒子)可以使用例如将通常市售的碳粒子(碳粉末)加热处理而提高自身的拒水性的拒水化碳粒子等。
气体扩散层可以是具有透气性的导电性构件等。
作为导电性构件，可举出例如碳布和碳纸等碳多孔体、以及金属网和发泡金属等金属多孔体等。
电解质膜可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，可举出例如含有水分的全氟磺酸的薄膜等氟系电解质膜、以及烃系电解质膜等。作为电解质膜，可以是例如Nafion膜(Dupon公司制)等。
燃料电池系统可以具有向燃料电池的燃料极供给燃料气体的燃料气体供给部。
燃料气体是主要含有氢的气体，例如可以是氢气。
作为燃料气体供给部，可举出例如燃料箱等，具体而言，可举出液体氢箱、压缩氢箱等。
燃料电池系统可以具有燃料气体供给流路。
燃料气体供给流路可以连接燃料电池与燃料气体供给部，从燃料气体供给部向燃料电池的燃料极供给燃料气体。
燃料电池系统可以具备循环流路。
循环流路可以回收从燃料电池的燃料极排出的燃料废气，使之作为循环气体返回燃料电池的燃料极。
燃料废气包含：燃料极中未反应就通过的燃料气体、在氧化剂极生成的生成水到达燃料极而成的水分、以及可以在扫气时供给燃料极的氧化剂气体等。
燃料电池系统根据需要，还可以具备在循环流路上调节循环气体的流量的氢泵等循环用泵、以及引射器等。
循环用泵与控制部电连接，可以通过控制部来控制循环用泵的驱动的开关和转速等从而调节循环气体的流量。
引射器例如配置在燃料气体供给流路与循环流路的合流部，将包含燃料气体和循环气体的混合气体供给到燃料电池的燃料极。作为引射器，可以采用现有公知的引射器。
在循环流路中，可以设置用于减少燃料废气中的水分的气液分离器。而且，可以具有通过气液分离器而从循环流路分支的排水流路以及在该排水流路上的排水阀。
在气液分离器中，从燃料废气中分离的水分可以通过开放设置于从循环流路分支的排水流路的排水阀而排出。
排水阀与控制部电连接，可以通过控制部来控制排水阀的开闭，从而调节液体水的排水量。
燃料电池系统可以具有燃料废气排出部。
燃料废气排出部可以把燃料废气排出到外部(系统外)。应予说明，外部可以是燃料电池系统的外部，也可以是车辆的外部。
燃料废气排出部可以具有燃料废气排出阀，根据需要也可以进一步具有燃料废气排出流路。
燃料废气排出阀与控制部电连接，可以通过控制部来控制燃料废气排出阀的开闭，从而来调节燃料废气的排出流量。
燃料废气排出流路例如可以从循环流路分支，在燃料废气中的氢浓度过低的情况下，可以将该燃料废气排出到外部。
燃料电池系统可以具有作为氧化剂气体供给部的空气压缩机、氧化剂气体供给流路和氧化剂气体排出流路。
空气压缩机可以是涡轮式的空气压缩机。
空气压缩机至少是将氧化剂气体供给到燃料电池的氧化剂极。
空气压缩机按照来自控制部的控制信号而驱动，将氧化剂气体导入燃料电池的阴极侧(氧化剂极、阴极入口歧管等)。
氧化剂气体为含氧气体，可以是空气、干燥空气和纯氧等。
氧化剂气体供给流路连接氧化剂气体吸气口、空气压缩机和燃料电池，可以实现从空气压缩机向燃料电池的氧化剂极供给氧化剂气体。
在氧化剂气体供给流路的氧化剂气体吸气口与空气压缩机之间，可以设置氧化剂气体净化器(过滤器)。氧化剂气体净化器可以除去从氧化剂气体吸气口吸入的氧化剂气体中的杂质。作为氧化剂气体净化器，可以使用现有公知的过滤器等。
在氧化剂气体供给流路的空气压缩机与燃料电池之间，可以设置作为氧化剂气体压力调节阀的氧化剂气体入口阀。
氧化剂气体入口阀与控制部电连接，可以通过控制部来调节氧化剂气体入口阀的开度，从而调节供给到氧化剂极的氧化剂气体压力(阴极压力)。
氧化剂气体排出流路可以从燃料电池的氧化剂极排出氧化剂气体。
在氧化剂气体排出流路中，可以设置作为氧化剂气体压力调节阀的氧化剂气体出口阀。
氧化剂气体出口阀与控制部电连接，通过控制部来使氧化剂气体出口阀开阀，从而将反应结束的阴极废气从氧化剂气体排出流路排出。此外，通过调节氧化剂气体出口阀的开度，可以调节供给到氧化剂极的氧化剂气体压力(阴极压力)。
应予说明，在设置了氧化剂气体入口阀的情况下、氧化剂气体入口阀与氧化剂气体出口阀闭阀的情况下，燃料电池的压力依赖于供给到燃料气体供给部的燃料气体的压力，因此本发明的燃料电池系统为了使演算部能估算各部位的流动阻力、总压、分压、能量，可以具有燃料气体压力传感器。
燃料气体压力传感器与控制部电连接，控制部检测从燃料气体压力传感器输出的燃料气体压力，该控制部也可以将检测到的燃料气体压力输出到演算部。
燃料气体压力传感器可以是现有公知的压力传感器等。
在氧化剂气体供给流路的空气压缩机与燃料电池之间，可以配置中冷器。应予说明，在具有氧化剂气体入口阀的情况下，氧化剂气体供给流路的空气压缩机与氧化剂气体入口阀之间，可以配置中冷器。中冷器与制冷剂循环流路连接，与制冷剂之间进行热交换，将从氧化剂气体供给部排出的氧化剂气体冷却。此外，在要求燃料电池的暖机(发电前处理)时，利用被氧化剂气体供给部压缩而温度升高的氧化剂气体的热，使制冷剂升温。
燃料电池系统也可以具备在氧化剂气体供给流路的空气压缩机的下游侧从氧化剂气体供给流路分支，或者是具有中冷器的情况下在中冷器的下游侧从氧化剂气体供给流路分支，绕过燃料电池而与氧化剂气体排出流路连接的旁路流路。在该旁路流路中配置有控制旁路流路的开通状态的旁路阀。旁路阀与控制部电连接，例如在驱动马达的再生发电时二次电池的充电容量不充裕的状况下，在驱动氧化剂气体供给部而消耗二次电池的电力的情况下，可以通过控制部来开阀。由此，氧化剂气体不会被送入燃料电池，而是从氧化剂气体排出流路排出。
此外，燃料气体供给流路与氧化剂气体供给流路也可以经由合流流路来连接。在合流流路中可以设置扫气阀。
扫气阀与控制部电连接，可以通过控制部而使扫气阀开阀，从而使氧化剂气体供给部的氧化剂气体作为扫气气体而流入燃料气体供给流路内。
用于扫气的扫气气体可以是反应气体，反应气体可以是燃料气体，也可以是氧化剂气体，还可以是包含这两种气体的混合反应气体。
燃料电池系统可以具备制冷剂供给部和制冷剂循环流路来作为燃料电池的冷却系统。
制冷剂循环流路与设置在燃料电池的制冷剂供给孔和制冷剂排出孔相连通，使由制冷剂供给部所供给的制冷剂在燃料电池内外进行循环，可以实现燃料电池的冷却。
制冷剂供给部可举出例如冷却水泵等。
在制冷剂循环流路中，可以设置对冷却水的热进行放热的散热器。
作为冷却水(制冷剂)，为了防止在低温时发生冻结，例如可以使用乙二醇与水的混合溶液。
燃料电池系统可以具备二次电池。
二次电池(Battery)只要能进行充放电即可，例如可举出镍氢二次电池和锂离子二次电池等现有公知的二次电池。此外，二次电池也可以包含双电层电容器等蓄电元件。二次电池可以是串联连接多个的构成。二次电池向马达等电动机以及空气压缩机等供给电力。二次电池可以从车辆外部的电源、如家庭用电源来充电。二次电池也可以通过燃料电池的输出来充电。
控制部可以控制二次电池的充电状态值(SOC)的管理、以及二次电池的充放电。
充电状态值(SOC：State of Charge)表示二次电池的充电容量相对于满充电容量的比例，满充电容量为SOC100％。
燃料电池系统可以具备以电池为电源的辅助装置。
作为辅助装置，可举出例如车辆的照明设备、以及空调设备等。
大气压传感器可测量大气压。
大气压传感器与控制部电连接，控制部可以检测从大气压传感器输出的大气压，该控制部也可以将检测到的大气压输出到演算部。
大气压传感器可以是现有公知的压力传感器等。
外部气温传感器可测量外部气温。
外部气温传感器与控制部电连接，控制部可以检测从外部气温传感器输出的外部气温，该控制部也可以将检测到的外部气温输出到演算部。
外部气温传感器可以是现有公知的温度传感器等。
流量传感器测量从外部供给到空气压缩机的入口的氧化剂气体的流量。流量传感器所测量的流量可以是氧化剂气体的摩尔流量，也可以是氧化剂气体的质量流量，还可以是这两者。
流量传感器与控制部电连接，控制部可以检测从流量传感器输出的流量，该控制部也可以将检测到的流量输出到演算部。
流量传感器可以是现有公知的流量传感器等。
扭矩传感器测量输入空气压缩机的扭矩量。
扭矩传感器与控制部电连接，控制部可以检测从扭矩传感器输出的扭矩量，该控制部也可以将检测到的扭矩量输出到演算部。
扭矩传感器可以是现有公知的扭矩传感器等。
转速传感器测量空气压缩机的转速。
转速传感器与控制部电连接，控制部可以检测从转速传感器输出的空气压缩机的转速，该控制部也可以将检测到的转速输出到演算部。
转速传感器可以是现有公知的转速传感器等。
角度传感器测量氧化剂气体出口阀和旁路阀的各阀的开度。角度传感器在燃料电池系统具备氧化剂气体入口阀的情况下，进一步测量氧化剂气体入口阀的开度。
角度传感器与控制部电连接，控制部可以检测从角度传感器输出的各阀的开度，该控制部也可以将检测到的各阀的开度输出到演算部。
角度传感器可以是现有公知的角度传感器等。
控制部控制燃料电池系统。控制部控制例如空气压缩机、氧化剂气体入口阀的开度、氧化剂气体出口阀的开度、以及旁路阀的开度等。
控制部也可以经由输入输出接口而与大气压传感器、外部气温传感器、流量传感器、扭矩传感器、转速传感器、角度传感器、燃料气体压力传感器、演算部、氧化剂气体入口阀、氧化剂气体出口阀、旁路阀、气液分离器、排水阀、燃料废气排出阀、扫气阀、燃料气体供给部、氧化剂气体供给部、二次电池、循环用泵等连接。此外，控制部可以与能搭载于车辆的点火开关电连接。
控制部在物理上具有例如CPU(中央计算处理装置)等计算处理装置、储存由CPU处理的控制程序和控制数据等的ROM(只读存储器)和主要用来控制处理的作为各种作业区域的RAM(随机存取存储器)等存储装置、以及输入输出接口。此外，控制部可以是例如ECU(引擎控制单元)等的控制装置。
演算部至少估算空气压缩机、氧化剂气体出口阀和旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量，根据需要，可以进一步估算氧化剂气体吸气口、氧化剂气体净化器(过滤器)、氧化剂气体供给流路、中冷器、氧化剂气体入口阀、阴极入口歧管、燃料电池的阴极、阴极出口歧管、旁路流路、氧化剂气体排出流路与燃料废气排出阀的连接部以及氧化剂气体排出流路等各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量。
图1为表示本发明的燃料电池系统的演算部进行的演算次序的一个例子的流程图。
如图1所示，演算部取得各传感器的测量值，依次估算空气系系统的各部位的流动阻力、总压、分压、能量。
由此，对于时刻变动的燃料电池系统的空气系系统各部位的状态量(流动阻力、总压、分压、能量)，即使不实际进行测量，也能精度良好地进行估算，可以减少测量用传感器的安装个数，降低空气系系统的成本。
应予说明，各传感器至少包含大气压传感器、外部气温传感器、流量传感器、转速传感器和角度传感器，根据需要还可以进一步包含燃料气体压力传感器、扭矩传感器等。
[步骤1(S1)：流动阻力估算]
演算部取得由流量传感器测量的氧化剂气体的流量、由大气压传感器测量的大气压、由转速传感器测量的空气压缩机的转速、由角度传感器测量的氧化剂气体出口阀和旁路阀的各阀的开度。
演算部根据它们，基于预先确定的将流量ndot[mol/sec]与各部位的压差(压力损失)ΔP[Pa]的关系线性化的第1计算式，演算各部位的流动阻力Zd[Pa/(mol/sec)]。
通过估算空气系系统各部位的流动阻力，从而可以在气体流量指令值于空气系系统中流动时估算各部位的压力损失的程度如何，可以精度良好地估算空气压缩机压力比。
演算部可以根据流动阻力Zd而算出有效气体输送系数。有效气体输送系数可以是在流动阻力Zd的倒数即气体输送系数中考虑各部位的气体吸入口与气体排出口的数量而得的值。
流动阻力Zd[Pa/(mol/sec)]可以是压力损失ΔP[Pa]与气体的流量ndot[mol/sec]相乘的值。
第1计算式例如可以是参照给出压力损失的理论式即DarcyWeisbach式而线性化的以下的式(1)。
式(1)流动阻力Zd[Pa/(mol/sec)]＝ΔP[Pa]×ndot[mol/sec]
各部位的压力损失ΔP可以通过预先准备表示大气压、空气压缩机的转速、氧化剂气体出口阀的开度、旁路阀的开度、以及根据需要的氧化剂气体入口阀的开度的关系的数据组，将取得的测量值与这些数据组相比对，从而进行估算。
各部位的气体的流量ndot(摩尔流量)例如可以通过预先准备表示被吸入空气压缩机的氧化剂气体的摩尔流量与各部位的氧化剂气体的摩尔流量的关系的数据组，将由流量传感器而测量的氧化剂气体的流量与该数据相比对，从而进行估算。
[步骤2(S2)：总压估算]
在步骤1之后，演算部基于预先确定的用于计算总压的第2计算式，根据各部位的流动阻力Zd、由流量传感器测量的氧化剂气体的流量、由大气压传感器测量的大气压、以及由外部气温传感器测量的外部气温，演算出各部位的总压。
第2计算式可以是气体的状态方程式、即下述式(2)。
式(2)可以是Ptotal＝nRT/V。
氧化剂气体的摩尔n可以根据由流量传感器测量的氧化剂气体的流量而估算。
温度T可以是由外部气温传感器测量的外部气温。
体积V可以根据各部位的容积以及截面积与流路长之积等求出，也可以预先算出。
由第2计算式得到的各部位的总压可以进一步与有效气体输送系数相乘。可以将由此得到的值作为总压而采用。
图2为表示本发明的燃料电池系统的控制方法的一个例子的流程图。
如图2所示，演算部在各部位的入口与出口之间的压差(压力损失)ΔP[Pa]为规定的阈值以下的情况下，使用有效气体输送系数乘以校正系数得到的值来演算总压。
演算部在步骤2中，当各部位的压差ΔP[Pa]为规定的阈值以下的情况下，根据有效气体输送系数乘以校正系数得到的值、由流量传感器测量的氧化剂气体的流量、由大气压传感器测量的大气压、以及由外部气温传感器测量的外部气温，演算出上述各部位的总压。
在空气系系统的各部位的压差极小时，将有效气体输送系数乘以校正系数来校正有效气体输送系数。
压差的规定的阈值没有特别限定，可以将空气压缩机停止中、空气系系统起动前等的压差设定为规定的阈值。
校正系数可以预先准备表示压差为规定的阈值以下的情况时的压差与数值振动的关系的数据组，根据该数据组来确定适当的数值。
在各部位的压差为极小的情况(例如空气压缩机停止中、空气系系统起动前等压差为10Pa以下的情况)下，会出现各部位的气体流动方向产生重复顺流与逆流的数值振动、计算变得不稳定的现象。因此，在压差为极小的情况下，通过将有效气体输送系数乘以校正系数来减小数值振动，从而可以抑制因数值振动导致的计算不稳定性。
图3为表示本发明的燃料电池系统的控制方法的另一个例子的流程图。
如图3所示，在步骤1中，演算部在角度传感器测量的氧化剂气体出口阀和旁路阀的各阀的开度为规定的阈值以下的情况下，可以将该开度为规定的阈值以下的阀的有效气体输送系数设为0。
在氧化剂气体出口阀的开度和旁路阀的开度(传感器角度)示出微小角度(例：0.5度)的情况下，虽然在实际设备中是可以闭阀的状态，但演算部仍估算各阀为以微小角度开阀，演算精度会降低。因此，在传感器角度为规定的阈值以下的情况下，可以认为阀为闭阀，将相邻的功能块之间的有效输送系数设为0，不进行物质移动演算。由此，可以抑制阀为微小角度时的演算不稳定化。应予说明，在燃料电池系统具有氧化剂气体入口阀的情况下，演算部在角度传感器测量的氧化剂气体入口阀、氧化剂气体出口阀和旁路阀的各阀的开度为规定的阈值以下的情况下，可以将该开度为规定的阈值以下的阀的有效气体输送系数设为0。
[步骤3(S3)：分压估算]
演算部在步骤2之后，基于预先确定的用于计算分压的第3计算式，根据步骤2中演算的各部位的总压、以及氧化剂气体中所包含的各成分的比例，演算出各部位的分压。
第3计算式可以是将氧化剂气体中所包含的总成分设为100％时的各成分相对于总成分的比例的积与各部位的总压的关系式，也可以是例如以下的式(3)。
式(3)各部位的各成分的分压＝总压×(各成分的比例÷100)
氧化剂气体中所包含的成分的比例也可以预先取得。
氧化剂气体的成分可以主要是氢、氮、氧、水蒸气等，氧化剂气体的各成分的分压可以根据这些主成分的组成比例而算出。
在本发明中，在步骤3中，为了使在步骤2中演算的各部位的总压与在步骤3中演算的各分压的合计值(＝总压)不产生偏差，可以用步骤2中演算的各部位的总压的演算结果乘以氧化剂气体的各成分(氧、氢、氮、水蒸气)的摩尔分数得到的值来校正在步骤3中演算的各分压的演算结果。
校正的方法可举出例如以下的方法等。
基于分压演算结果，演算氧化剂气体的各成分(氧、氢、氮、水蒸气)的摩尔分数。分压演算的结果将摩尔分数取为正值。然后，可以用总压的演算结果(总压(array＿P＿tot))乘以在上述中得到的各成分的摩尔分数(array＿x＿O2,array＿x＿H2,array＿x＿N2,array＿x＿H2Ovap)，更新分压的演算结果。
对于空气系系统的分压而言，虽然直到燃料电池堆的入口为止还是大气中的分压(氧21％、氮79％)，但是由于伴随燃料电池堆的发电的水的生成，燃料电池堆的下游流路与大气中的分压产生不同。因此，通过设置在燃料电池堆的下游流路的零件、特别是氧化剂气体出口阀的分压的估算精度提高，气体流量和气体压力控制性提高，可以抑制车辆的乘坐体验的劣化和零件耐久性的劣化。
在各部位的总压与各部位的分压的结果有偏差的情况下，则会有分压演算未正确执行、并且将特定气体种类的分压估算地异常大或小的可能性。因此，通过基于总压的演算结果来校正分压的演算结果，从而可以抑制分压演算的计算稳定性劣化。
[步骤4(S4)：能量估算]
演算部在步骤3之后，基于预先确定的用于计算能量的第4计算式，根据由流量传感器测量的所述氧化剂气体的流量、由大气压传感器测量的大气压、以及由外部气温传感器测量的外部气温，演算出各部位的能量。此外，根据演算的各部位的能量，基于各部位的总压、各部位的气体流量和各部位的分压，可以估算各部位的温度。此外，就温度而言，可以通过预先准备显示能量与温度的关系的数据组，将能量与该数据组相比对，从而估算温度。
第4计算式例如可以是以下的式(4)。
式(4)能量Δq[W]＝质量流量×比热Cp×温度T×压差PR{(γ-1)/γ}-1))/绝热压缩效率η
式(4)中，γ为比热比。压差PR为喷出压力与吸入压力的比。
质量流量可以从流量传感器来测量。
温度T可以从外部气温传感器来测量。
压差PR例如可以通过预先准备显示大气压、空气压缩机的转速、氧化剂气体出口阀的开度、旁路阀的开度、以及根据需要进一步输入空气压缩机的扭矩量的关系的数据组，将取得的测量值与这些数据组相比对，从而进行估算。
比热Cp和比热比γ可以预先测量氧化剂气体的比热。
绝热压缩效率η可以预先计算各部位的绝热压缩效率。
在本发明中，在氧化剂气体供给流路的空气压缩机与燃料电池(或者氧化剂气体入口阀)之间可以进一步具有中冷器，演算部可以估算中冷器、空气压缩机、氧化剂气体出口阀、以及旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和流入流出的能量的量。
通过在各部位中，在温度变化量大的地方例如空气压缩机入口和空气压缩机出口(因绝热压缩工作而导致的温度上升)、中冷器入口和中冷器出口(因与冷却水的热交换而导致的温度降低)、燃料电池堆入口和燃料电池堆出口(因燃料电池的发热、与冷却水的热交换而导致的温度上升)等中精度良好地估算温度，从而可以提高流动阻力和有效气体输送系数的估算精度，能够提高气体流量和气体压力控制性，抑制车辆的乘坐体验的劣化和零件耐久性的劣化。
图4为表示本发明的燃料电池系统的演算部进行的演算次序的另一个例子的流程图。
如图4所示，步骤1～4的各演算为了减少收敛演算(即直到演算结果落在规定的误差范围内为止不重复演算)，可以参照上次的值来演算此次的值。
因此，在步骤1中，可以参照上次的步骤1～4中演算的流动阻力、总压、分压、能量的上次的值，在步骤2中，可以参照上次的步骤2～4中演算的总压、分压、能量的上次的值，在步骤3中，可以参照上次的步骤3～4中演算的分压、能量的上次的值，在步骤4中，可以参照上次的步骤4中演算的能量的上次的值，随着按照步骤1～4的顺序进行演算，可以减少上次的值的参照比例。
这是因为，在步骤2～3中依次演算总压、分压时，如果不确定总压，就无法进行分压的演算。此外，将能量的演算放在最后是因为在总压变化、分压变化、温度变化中，温度变化是最迟缓的物理现象，在能量的演算中，因未参照上次的值而导致的演算误差的影响是最少的。
应予说明，在演算结束后的下次的演算时期没有特别限定，可以不间断地连续进行，也可以空出规定的时间、间隔来进行，可以适当设定。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池，
将氧化剂气体供给到所述燃料电池的空气压缩机，
连接所述燃料电池与所述空气压缩机的氧化剂气体供给流路，
将从所述燃料电池排出的阴极废气排出到外部的氧化剂气体排出流路，
设置在所述氧化剂气体排出流路、控制所述氧化剂气体的压力的氧化剂气体出口阀，
从所述氧化剂气体供给流路分支、绕过所述燃料电池而连接所述氧化剂气体排出流路的旁路流路，
设置在所述旁路流路、控制该旁路流路的开通状态的旁路阀，
测量大气压的大气压传感器，
测量外部气温的外部气温传感器，
测量从外部供给到所述空气压缩机的入口的所述氧化剂气体的流量的流量传感器，
测量所述空气压缩机的转速的转速传感器，
测量所述氧化剂气体出口阀和所述旁路阀的各阀的开度的角度传感器，
控制部，以及
估算所述空气压缩机、所述氧化剂气体出口阀和所述旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量的演算部；
所述演算部实施：
步骤1，基于预先确定的将流量ndot与所述各部位的压差ΔP的关系线性化的第1计算式，根据由所述流量传感器测量的所述氧化剂气体的流量、由所述大气压传感器测量的大气压、由所述转速传感器测量的所述空气压缩机的转速、以及由所述角度传感器测量的所述氧化剂气体出口阀和所述旁路阀的各阀的开度，演算出所述各部位的流动阻力Zd，所述流量ndot的单位为mol/sec，所述压差ΔP的单位为Pa，所述流动阻力Zd的单位为Pa/(mol/sec)，
步骤2，在所述步骤1之后，基于预先确定的用于计算总压的第2计算式，根据所述各部位的流动阻力Zd、由所述流量传感器测量的所述氧化剂气体的流量、由所述大气压传感器测量的大气压、以及由所述外部气温传感器测量的所述外部气温，演算出所述各部位的总压，
步骤3，在所述步骤2之后，基于预先确定的用于计算分压的第3计算式，根据所述步骤2中演算出的所述各部位的总压、以及所述氧化剂气体中所包含的各成分的比例，演算出所述各部位的分压，
步骤4，在所述步骤3之后，基于预先确定的用于计算能量的第4计算式，根据由所述流量传感器测量的所述氧化剂气体的流量、由所述大气压传感器测量的大气压、以及由所述外部气温传感器测量的所述外部气温，演算出所述各部位的能量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述演算部在所述步骤1中演算有效气体输送系数，在所述步骤2中，当所述各部位的压差ΔP为规定的阈值以下的情况下，根据将所述有效气体输送系数乘以校正系数而得到的值、由所述流量传感器测量的所述氧化剂气体的流量、由所述大气压传感器测量的大气压、以及由所述外部气温传感器测量的所述外部气温，演算出所述各部位的总压，所述压差ΔP的单位为Pa。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述演算部在所述步骤1中，当所述角度传感器测量的所述氧化剂气体出口阀和所述旁路阀的各阀的开度为规定的阈值以下的情况下，将该开度为规定的阈值以下的阀的所述有效气体输送系数设为0。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述演算部用所述步骤2中演算出的各部位的总压的演算结果乘以所述氧化剂气体的各成分的摩尔分数而得到的值来校正在所述步骤3中演算出的各部位的分压的演算结果。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，其中，在所述氧化剂气体供给流路的所述空气压缩机与所述燃料电池之间进一步具备中冷器，
所述演算部估算所述中冷器、所述空气压缩机、所述氧化剂气体出口阀和所述旁路阀的各部位的流动阻力Zd、总压、分压和能量。
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